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機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 自動(dòng)導(dǎo)引小車 AGV 設(shè)計(jì)方案 小組成員 褚亞鵬 柯健鏹 孫登強(qiáng) 指導(dǎo)老師 徐海波 2014 6 19 Xi an Jiaotong University 1 目錄 一 緒論 4 1 1 AGV 概述 4 1 2 AGV 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6 1 3 AGV 的應(yīng)用范圍 9 1 4 AGV 的發(fā)展趨勢(shì)分析 11 1 5 AGV 的市場(chǎng)前景分析 12 二 總體方案設(shè)計(jì) 14 2 1 設(shè)計(jì)方案概述 14 2 2 傳感器部分初步設(shè)計(jì) 14 2 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部分初步設(shè)計(jì) 14 2 4 控制部分初步設(shè)計(jì) 14 三 傳感器部分設(shè)計(jì) 18 四 機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 20 4 1 車體的設(shè)計(jì) 20 4 2 車輪及轉(zhuǎn)向裝置選擇 20 4 3 電機(jī)的選擇 20 4 4 驅(qū)動(dòng)部分校核計(jì)算 24 4 5 蓄電池的選擇 25 Xi an Jiaotong University 2 4 6 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模 27 五 控制部分設(shè)計(jì) 30 5 1 電源模塊 30 5 2 驅(qū)動(dòng)模塊 30 5 3 循跡模塊 32 5 4 避障模塊 33 5 5 主控制模塊 34 六 項(xiàng)目總結(jié)與感悟 37 七 參考文獻(xiàn) 39 八 附錄 40 8 1 車體結(jié)構(gòu) ANSYS 仿真報(bào)告 40 Project 40 Contents 41 Units 41 Model C4 41 Geometry 41 Coordinate Systems 53 Connections 53 Mesh 67 Xi an Jiaotong University 3 Static Structural C5 68 Solution C6 71 Material Data 73 Structural Steel 73 8 2 單片機(jī)控制程序 75 Xi an Jiaotong University 4 一 緒論 1 1 AGV 概述 1 AGV 的簡(jiǎn)介 根據(jù)美國(guó)物流協(xié)會(huì)定義 AGV Automated Guided Vehicle 是指裝備有電磁或光學(xué)導(dǎo)引裝置 能夠按照規(guī)定 的導(dǎo)引路線行駛 具有小車運(yùn)行和停車裝置 安全保護(hù)裝 置以及具有各種移載功能的運(yùn)輸小車 2 AGV 的特點(diǎn) 無人駕駛 AGV 上裝有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng) 可以保障系統(tǒng) 在不需要人工引航的情況下就能夠沿預(yù)定路線自動(dòng)行使 將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地 柔性好 自動(dòng)化程度高和智能化水平高 AGV 的行使 路徑可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)貨位的要求 生產(chǎn)工藝流程等改變而靈 活改變 并且路徑改變的費(fèi)用與傳統(tǒng)的輸送帶和剛性的傳 送帶相比非常低廉 AGV 一般配備有裝卸機(jī)構(gòu) 可以與其它物流設(shè)備自動(dòng) 接口 實(shí)現(xiàn)貨物或物料的裝卸與搬運(yùn)全過程自動(dòng)化 可裝備多種聲光報(bào)警系統(tǒng) 能通過車載障礙探測(cè)系 統(tǒng)在碰撞到障礙物之前自動(dòng)停車 當(dāng)其列隊(duì)行使或在某一 區(qū)域內(nèi)交叉運(yùn)行時(shí) 具有避免相互碰撞的自控能力 不存 在差錯(cuò) 因此 AGVS 比其它物料搬運(yùn)系統(tǒng)更安全 AGV 具有清潔生產(chǎn)的特點(diǎn) 依靠自帶蓄電池提供動(dòng)力 運(yùn)行過程中無噪聲 無污染 可以應(yīng)用在許多要求工作環(huán) 境清潔的場(chǎng)所 與其它物料輸送方式相比 初期投資大 但可以大 幅度降低運(yùn)行費(fèi)用 特別是在產(chǎn)品類型和工位較多時(shí) 3 AGV 的分類 無人搬運(yùn)車 Xi an Jiaotong University 5 主要用于完成搬運(yùn)作業(yè) 采用人力或自動(dòng)移載裝置將 貨物裝載到小車上 小車行走到指定地點(diǎn)后 再由人力或 自動(dòng)移載裝置將貨物卸下 從而完成搬運(yùn)任務(wù) 具有自動(dòng)移載裝置的小車在控制系統(tǒng)的指揮下能夠自 動(dòng)地完成貨物的取 放以及水平運(yùn)行的全過程 而沒有移 載裝置的小車只能實(shí)現(xiàn)水平方向的自動(dòng)運(yùn)行 貨物的取放 作業(yè)需要依靠人力或借助于其它裝卸設(shè)備來完成 無人牽引小車 Xi an Jiaotong University 6 主要功能是自動(dòng)牽引裝載貨物的平板車 僅提供牽引 動(dòng)力 當(dāng)牽引小車帶動(dòng)載貨平板車到達(dá)目的地后 自動(dòng)與 載貨平板車脫開 無人叉車 其基本功能與機(jī)械式叉車類似 只是一切動(dòng)作均由控 制系統(tǒng)自動(dòng)控制 自動(dòng)完成各種搬運(yùn)任務(wù) 1 2 AGV 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 近年來 AGV 和 AGVS 在日本 美國(guó) 德國(guó) 比利時(shí) 瑞典等國(guó)家發(fā)展很快 有的工廠已實(shí)現(xiàn)從材料管理到生產(chǎn) 成品全過程的自動(dòng)引導(dǎo)車系統(tǒng) 特別是日本 AGV 的總臺(tái)數(shù) 每年均以 20 的比率增長(zhǎng) 世界上第一臺(tái) AGV 是由美國(guó) Barrett 電子公司于 20 世 紀(jì) 50 年代初開發(fā)成功的 它是一種牽引式小車系統(tǒng) 可十 分方便地與其他物流系統(tǒng)自動(dòng)連接 顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn) 率 極大地提高了裝卸搬運(yùn)的自動(dòng)化程度 1954 年英國(guó)最 早研制了電磁感應(yīng)導(dǎo)向的 AGVS 由于它的顯著特點(diǎn) 迅速 得到了應(yīng)用和推廣 1960 年歐洲就安裝了各種形式 不同水平的 AGVS 220 套 使用了 AGV 1300 多臺(tái) 到了 70 年代中期 由于微處 Xi an Jiaotong University 7 理器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成熟促進(jìn)了復(fù) 雜控制器的改進(jìn) 并設(shè)計(jì)出更為靈活的 AGV 1973 年 瑞 典 VOLVO 公司在 KALMAR 轎車廠的裝配線上大量采用了 AGV 進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制裝配作業(yè) 擴(kuò)大了 AGV 的使用范圍 70 年 代末 歐洲約裝備了 520 個(gè) AGV 系統(tǒng) 共有 4800 臺(tái)小車 1985 年發(fā)展到 10000 臺(tái)左右 其應(yīng)用領(lǐng)域分布為 汽車工 業(yè) 57 柔性制造系統(tǒng) FMS 8 和柔性裝配系統(tǒng) FAS 44 20 世紀(jì) 80 年代末 國(guó)外的 AGV 達(dá)到發(fā)展的成熟階段 此時(shí)美國(guó)的 AGV 生產(chǎn)廠商從 1983 年的 23 家劇增至 1985 年 的 74 家 1984 年 美國(guó)通用汽車公司完成了它的第一個(gè)柔 性裝配系統(tǒng) FAS 從此該公司就成為當(dāng)時(shí) AGV 的最大用戶 1986 年已達(dá) 1407 臺(tái) 包括牽引式小車 叉車和裝卸小車 1987 年又新增加 1662 臺(tái) 美國(guó)各公司在歐洲技術(shù)的基礎(chǔ)上 將 AGV 發(fā)展到更為先進(jìn)的水平 他們采用更先進(jìn)的計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng) 運(yùn)輸量更大 移載時(shí)間更短 小車和控制器的 可靠性更高 日本在 1963 年首次引進(jìn) AGV 其第一家 AGV 工廠于 1966 年由一家運(yùn)輸設(shè)備供應(yīng)廠商與美國(guó)的 Webb 公司合資建 成 1976 年后 日本對(duì) AGV 的發(fā)展給予了高度重視 每年 增加數(shù)十套 AGV 系統(tǒng) 有神鋼電機(jī) 平田電機(jī) 住友重機(jī) 等 27 個(gè)主要生產(chǎn)廠商生產(chǎn)幾十種不同類型的 AGV 1981 年 日本的 AGV 總產(chǎn)值為 60 億日元 1985 年已上升到 200 億日 元 平均每年以 20 的速度遞增 1986 年 日本累計(jì)安裝 了 2312 個(gè) AGVS 擁有 5032 臺(tái) AGV 到 1990 年日本擁有 AGV 約一萬臺(tái) 到 1988 年 日本 AGV 制造廠已達(dá) 47 家 如大 福 Fanuc 公司 Murata 村田 公司等 廣泛應(yīng)用于汽車制 造 機(jī)械 電子 鋼鐵 化工 醫(yī)藥 印刷 倉(cāng)儲(chǔ) 運(yùn)輸 業(yè)和商業(yè)上 目前 全世界 AGVS 保有量在 16000 套以上 AGV 在 10 萬臺(tái)以上 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 Xi an Jiaotong University 8 我國(guó) AGV 發(fā)展歷程較短 但一直以來不斷加大在這一 領(lǐng)域的投入 以改變我國(guó) AGV 長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面 經(jīng)過 不懈地努力終于取得了一定的成效 北京起重運(yùn)輸機(jī)械研 究所 清華大學(xué) 中國(guó)郵政科學(xué)院郵政科學(xué)研究規(guī)劃院 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所 大連組合機(jī)床研究所 國(guó)防科 技大學(xué)和華東工學(xué)院都在進(jìn)行不同類型的 AGV 的研制并小 批投入生產(chǎn) 1976 年 北京起重機(jī)械研究所研制出第一臺(tái) AGV 建 成第一套 AGVS 滾珠加工演示系統(tǒng) 隨后又研制出單向運(yùn)行 載重 500 公斤的 AGV 雙向運(yùn)行載重 500kg 1000kg 2000kg 的 AGV 開發(fā)研制了幾套較簡(jiǎn)單的 AGV 應(yīng)用系統(tǒng) 1988 年 原郵電部北京郵政科學(xué)技術(shù)研究所研制了郵 政樞紐 AGV 1991 年起 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 新松機(jī)器人自動(dòng) 化股份研究公司為沈陽(yáng)金杯汽車廠研制生產(chǎn)了客車 6 臺(tái) AGV 用于汽車裝配線中 可以說是汽車工業(yè)中用得比較成功的 例子 并于 1996 年獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng) 1992 年 天津理工學(xué)院研制了核電站用光學(xué)導(dǎo)引 AGV 1995 年 我國(guó)的 AGV 技術(shù)出口韓國(guó) 標(biāo)志著我國(guó)自主 研發(fā)的機(jī)器人技術(shù)第一次走向了國(guó)際市場(chǎng) 1999 年 3 月 27 日 由昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司研制 生產(chǎn)的激光導(dǎo)引無人車系統(tǒng)在紅河卷煙廠投入試運(yùn)行 這 是在我國(guó)投入使用的首套激光導(dǎo)引無人搬運(yùn)車系統(tǒng) 目前國(guó)內(nèi)的 AGV 保有量應(yīng)該在 1000 臺(tái)左右 大約有 60 是 國(guó)內(nèi)的 AGV 廠家提供的 40 是國(guó)外廠家提供的 在國(guó)內(nèi) AGV 的技術(shù)來源有兩種模式 一種是引進(jìn)技術(shù) 一種是自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù) 兩種模式目前都涵蓋 AGV 的 所有技術(shù) 技術(shù)水平并無多大差別 引進(jìn)技術(shù)主要是瑞典 NDC 的 AGV 控制系統(tǒng)技術(shù) 據(jù)了解 NDC 目前在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有 3 家 合作伙伴 Xi an Jiaotong University 9 1 3 AGV 的應(yīng)用范圍 AGV 的應(yīng)用場(chǎng)合很廣泛 研究涉及到多種技術(shù)領(lǐng)域 是 一個(gè)典型的機(jī)電一體化多技術(shù)多學(xué)科的集成系統(tǒng) 隨著電 子和控制技術(shù)的發(fā)展 AGV 的技術(shù)也在不斷地進(jìn)步 正在朝 著性能更優(yōu)越 更廉價(jià) 自由度更高 超大型化和微型化 方向發(fā)展 其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展 并且取得了很好的 效果 一般來說 AGV 的主要應(yīng)用范圍有如下幾個(gè)方面 1 物料搬運(yùn) 在現(xiàn)代物料搬運(yùn)中 當(dāng)使用的人及搬運(yùn)工具的總成本 與使用 AGV 無人搬運(yùn)車 的成本基本相當(dāng)時(shí) AGV 的市場(chǎng)接 受就會(huì)自然形成 歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的人力成本很高 所以 AGV 的使用較為普及 應(yīng)用遍及各行各業(yè) 目前世界 上約有 2 萬臺(tái)各種各樣的 AGV 運(yùn)行在 2100 座大大小小的倉(cāng) 庫(kù)中 海爾集團(tuán)于 2000 年投產(chǎn)運(yùn)行的開發(fā)區(qū)立體倉(cāng)庫(kù)中 9 臺(tái) AGV 組成了一個(gè)柔性的庫(kù)內(nèi)自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng) 成功地完成 了每天 23400 噸的出入庫(kù)貨物和零部件的搬運(yùn)任務(wù) 玉溪 紅塔集團(tuán) 紅河卷煙廠在應(yīng)用激光引導(dǎo)的 AGV 完成貨物的 搬運(yùn)工作 其他行業(yè)如化工的原料及成品 儀器儀表行業(yè)的元器 件 印刷出版業(yè)的紙張 電子工業(yè)的芯片 計(jì)算機(jī) 食品 工業(yè)的罐頭 飲料 紡織工業(yè)的棉紗 布匹 服裝業(yè)的里 料 面料 衣服 汽車工業(yè)的零部件 冶金工業(yè)中的鋼錠 鋼帶 板材 金融系統(tǒng)的紙幣 硬幣 黃金 藥品制造業(yè) 的原料 成藥 國(guó)防如武器彈藥 軍需物資等的搬運(yùn) 2 柔性裝配線 加工線 Xi an Jiaotong University 10 傳統(tǒng)生產(chǎn)線一般都是由一條連續(xù)的剛性傳送設(shè)備組成 短則數(shù)米 長(zhǎng)則數(shù)千米 如汽車裝配線 缸體加工線等 存在的突出問題是 要求每一道工序的節(jié)拍統(tǒng)一 否則 就會(huì)因任何一道工序的停頓耽誤而影響整條生產(chǎn)線的進(jìn)程 如缺料 缺件 廢品或出現(xiàn)意外問題 要求廠房很大很 長(zhǎng)很高 對(duì)于較大較重的要用行車起吊 土建成本高 連續(xù)的生產(chǎn)線隔斷了通道 造成供應(yīng)線路長(zhǎng) 人和車輛 過往不方便 連續(xù)的生產(chǎn)線需要大量設(shè)備 投資成本較 高 剛性生產(chǎn)線使得一些本可以同步 交叉進(jìn)行的工作 失去機(jī)會(huì) AGV 出現(xiàn)之后 不僅作為無人自動(dòng)搬運(yùn)車輛使用 也可 當(dāng)作是一個(gè)個(gè)可移動(dòng)的裝配臺(tái) 加工臺(tái)使用 他們既能自 由獨(dú)立地分開作業(yè) 又能準(zhǔn)確有序地組合銜接 形成沒有 物理隔斷 但是能起動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用 高度柔性的生產(chǎn)線 如轎車總裝線 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線 試車線 機(jī)床加工線 家 電生產(chǎn)線等 1974 年瑞典的 Volvo Kalmar 轎車裝配廠為了提高運(yùn)輸 系統(tǒng)的靈活性 采用基于 AGVS 為載運(yùn)工具的自動(dòng)轎車裝配 線 該裝配線由多臺(tái)可裝載轎車車體的 AGVS 組成 采用該 裝配線后 裝配時(shí)間減少了 20 裝配故障減少 39 投資 回收時(shí)間減小 57 勞動(dòng)了減少了 5 目前 AGV 在世界上 主要的汽車廠 如通用 豐田 克萊斯勒 大眾等公司的 制造和裝配線上得到了普遍應(yīng)用 3 特殊場(chǎng)合用 AGV 無人自動(dòng)搬運(yùn)優(yōu)勢(shì) 解決了一些不適宜人在其中生 產(chǎn)或工作的特殊環(huán)境問題 如核材料 危險(xiǎn)品 農(nóng)藥 有 毒物品 腐蝕性物品 生物物品 易燃易爆物品 等 在 鋼鐵廠 AGV 用于爐料運(yùn)送 減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 在核 電站和利用核輻射進(jìn)行保鮮儲(chǔ)存的場(chǎng)所 AGV 用于物品的運(yùn) 送 避免了危險(xiǎn)的輻射 在膠卷和膠片倉(cāng)庫(kù) AGV 可以在黑 暗的環(huán)境中 準(zhǔn)確可靠地運(yùn)送物料和半成品 Xi an Jiaotong University 11 國(guó)內(nèi)使用 AGV 比較多的行業(yè)主要有煙草行業(yè)和汽車行 業(yè) 已有 20 多家采用了 AGV 煙草行業(yè)由于利潤(rùn)豐厚 是 AGV 應(yīng)用最多的領(lǐng)域 約占 AGV 銷售總量的一半左右 AGV 在汽車行業(yè)雖有應(yīng)用但數(shù)量并不多 因?yàn)槲覈?guó)汽車企業(yè)規(guī) 模小 利潤(rùn)比較薄 其他行業(yè)雖然也有 AGV 應(yīng)用的需求 但是總體來看 國(guó)內(nèi) AGV 的應(yīng)用范圍還比較窄 技術(shù)和需 求還不是很成熟 需要 AGV 的生產(chǎn)企業(yè)做進(jìn)一步的引導(dǎo) 同時(shí)開發(fā)出適應(yīng)不同行業(yè)的 AGV 系統(tǒng)以提高相應(yīng)行業(yè)的生 產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率 1 4 AGV 的發(fā)展趨勢(shì)分析 1 AGV 的技術(shù)水平將日益提高 現(xiàn)代 AGV 技術(shù)的最顯著特征是具有智能化 車載計(jì)算 機(jī)的硬軟件技術(shù)日益強(qiáng)大 使 AGV 具有從網(wǎng)絡(luò) 無線或紅 外線信號(hào)接受裝置接收調(diào)度中心或客戶指令 自動(dòng)導(dǎo)引 自動(dòng)行駛 優(yōu)化路線 自動(dòng)作業(yè) 運(yùn)行管理 車輛調(diào)度 安全避碰 自動(dòng)充電 自動(dòng)診斷等功能 實(shí)現(xiàn)了 AGV 的智 能化 信息化 數(shù)字化 網(wǎng)絡(luò)化 柔性化 敏捷化 節(jié)能 化 綠色化 現(xiàn)代 AGV 是 24 小時(shí)不知疲倦的聰明車輛 僅 在任務(wù)間隙時(shí)隨機(jī)進(jìn)行短時(shí)充電 能主動(dòng) 自序 有節(jié) 拍按最安全 快捷的路線執(zhí)行作業(yè) 2 AGV 的動(dòng)力性能將更趨強(qiáng)勁 AGV 設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一是其動(dòng)力源裝置的設(shè)計(jì) 動(dòng)力源的 功率大小直接影響 AGV 的功用 而動(dòng)力源的體積大小直接 影響整車的體積及外觀造型 傳統(tǒng)的 AGV 采用鉛酸電池 能量密度小 體積大 隨 著電池技術(shù)的發(fā)展 今年來電池逐步由高能酸性電池發(fā)展 到開始采用高能堿性電池 以提高環(huán)保性能 大幅提高充 放電比 目前由充電時(shí)間 放電時(shí)間比為 1 1 提高到現(xiàn)在 的 1 12 大幅縮短了 AGV 的待機(jī)充電的時(shí)間 Xi an Jiaotong University 12 動(dòng)力電池性能及充放電技術(shù)的進(jìn)步 使得現(xiàn)代 AGV 的 動(dòng)力性能普遍提高 運(yùn)載能力與行駛特性進(jìn)一步優(yōu)化 3 AGV 的綜合技術(shù)將逐步機(jī)器人化 AGV 本身就是一種移動(dòng)機(jī)器人 是一個(gè)集環(huán)境感知 動(dòng) 態(tài)決策與規(guī)劃 行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系 統(tǒng) 它集中了傳感器技術(shù) 機(jī)械工程 電子工程 計(jì)算機(jī) 工程 自動(dòng)化控制工程以及人工只能等多學(xué)科的研究成果 代表機(jī)電一體化的最高成就 是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍 的領(lǐng)域之一 AGV 的機(jī)器人化一直是 AGV 研究的熱點(diǎn)技術(shù) 實(shí)際上 在機(jī)器人發(fā)展的整個(gè)過程中 其相關(guān)技術(shù)都先后在 AGV 中 得到了應(yīng)用 如智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)涉及到的機(jī)器人導(dǎo)航 與定位 路徑規(guī)劃 運(yùn)動(dòng)控制等 均在 AGV 中得到了體現(xiàn) 使得現(xiàn)代 AGV 無論是專項(xiàng)技術(shù)還是綜合性能 均得到了普 遍提高 并仍將繼續(xù)提高 由于 AGV 的機(jī)器人化 現(xiàn)代 AGV 已不僅僅是一種沿固定路 徑行駛的搬運(yùn)工具 幾乎可以適合于各種固定的或不固定 的運(yùn)輸場(chǎng)所 4 AGV 的應(yīng)用將日益普遍 由于現(xiàn)代化生產(chǎn)觀念日益受到重視 對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行 物流系統(tǒng)的柔性要求越來越高 在產(chǎn)品換型 多種產(chǎn)品混 合生產(chǎn)線運(yùn)行 調(diào)整產(chǎn)量 重新組合生產(chǎn)線等方面 AGV 必 將得到迅速發(fā)展和普及應(yīng)用 這不僅是現(xiàn)代化工業(yè)迅速發(fā) 展的需要 更主要是由 AGV 本身所獨(dú)具的優(yōu)越性決定的 1 5 AGV 的市場(chǎng)前景分析 1 AGV 經(jīng)濟(jì)效益分析 AGV 作為一種成熟的技術(shù)和產(chǎn)品在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng) 用 對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率 降低成本 提高產(chǎn)品質(zhì)量 提 高企業(yè)的產(chǎn)品管理水平起到了顯著的作用 Xi an Jiaotong University 13 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展 國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和需求越來越強(qiáng) 烈 已經(jīng)大約有千臺(tái) AGV 在使用 而且市場(chǎng)在逐步擴(kuò)大 根據(jù)市場(chǎng)初步分析 今后 5 年內(nèi) 國(guó)內(nèi)各行業(yè)對(duì) AGV 需求 量可達(dá)數(shù)千臺(tái) 年產(chǎn)值接近 2 億元 經(jīng)濟(jì)效益十分可觀 2 AGV 市場(chǎng)前景分析 物流是 企業(yè)的第三利潤(rùn)源泉 是 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域尚未 被開發(fā)的黑大陸 它可以為企業(yè)帶來巨大的效益 目前 航空領(lǐng)域 印刷行業(yè) 煙草行業(yè) 摩托車行業(yè) 汽車行業(yè) 家用電器行業(yè)等眾多企業(yè)已經(jīng)或者即將投入巨資建立自己 的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流體系 作為物流系統(tǒng)中的重要組成部分 AGV 已經(jīng)在中國(guó)的印刷行業(yè) 羊城晚報(bào) 四川日?qǐng)?bào) 汽車 行業(yè) 金杯汽車 上海通用 家電行業(yè) 海爾 煙草行 業(yè) 上海煙廠 云南紅塔 得到廣泛應(yīng)用 未來更是有廣 闊的市場(chǎng)前景 Xi an Jiaotong University 14 二 總體方案設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)方案概述 小車采用前輪驅(qū)動(dòng) 兩個(gè)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng) 通過轉(zhuǎn)速 的差異來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎 后輪采用兩個(gè)隨動(dòng)自由輪 小車車身前 及兩側(cè)安置有 4 個(gè)紅外線傳感器用于循 跡 另有兩個(gè)個(gè)紅外線傳感器用于避障 當(dāng)發(fā)現(xiàn)前面有障 礙物時(shí) AGV 小車能自動(dòng)停止 并不停檢測(cè)障礙 當(dāng)沒有障 礙時(shí)再前進(jìn) AGV 小車由傳感器部分 機(jī)械結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)部分和控制部 分組成 2 2 傳感器部分初步設(shè)計(jì) 考慮到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中大部分 AGV 小車的實(shí)際工作環(huán)境 以及成本因素 本方案采用光學(xué)控制帶引導(dǎo)方式來實(shí)現(xiàn)對(duì) AGV 小車的引導(dǎo) 2 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部分初步設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部分包括車體 傳動(dòng)部分 蓄電池 車輪及轉(zhuǎn)向裝置 電機(jī) 考慮到車體的承載能力 車體采 用鋼構(gòu)件焊接而成 其外殼為 1mm 3mm 的鋼板或鋁合金板 Xi an Jiaotong University 15 車架空間安置與驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向直接有關(guān)或重量較大的部件 如 蓄電池 以利于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和降低車體重心 重心越低 越有利于抗傾翻 蓄電池采用 24v 直流工業(yè)蓄電池 車輪 及轉(zhuǎn)向裝置采用差速型驅(qū)動(dòng) 即兩臺(tái)電機(jī)各置于左 右兩 邊 利用兩臺(tái)電機(jī)的動(dòng)作與兩輪差速的方式達(dá)到左右轉(zhuǎn) 前進(jìn)或停止 差速型電機(jī)選用直流減速電機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 2 4 控制部分初步設(shè)計(jì) 采用 52 單片機(jī)控制 1 STC89C52 簡(jiǎn)介 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS 51 內(nèi)核 但做了很多的改進(jìn)使得 芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能 在單芯片上 擁有 Xi an Jiaotong University 16 靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 使得 STC89C52 為 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活 超有效的解決方案 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 8k 字節(jié) Flash 512 字節(jié) RAM 32 位 I O 口線 看門狗定時(shí)器 內(nèi)置 4KB EEPROM MAX810 復(fù) 位電路 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 4 個(gè)外部中斷 一個(gè) 7 向量 4 級(jí)中斷結(jié)構(gòu) 兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu) 全雙工串行口 另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式 空閑模式下 CPU 停止工 作 允許 RAM 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 串口 中斷繼續(xù)工作 掉 電保護(hù)方式下 RAM 內(nèi)容被保存 振蕩器被凍結(jié) 單片機(jī)一 切工作停止 直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 最高運(yùn)作 頻率 35MHz 6T 12T 可選 2 STC89C52 單片機(jī)特性 STC89C52RC 單片機(jī) 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 內(nèi)帶 2K 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 可直接使用串口下載 AT89S52 單片機(jī) 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 自帶 2KB 的 EEPROM 存儲(chǔ)空間 3 參數(shù) 1 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī) 6 時(shí)鐘 機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 機(jī)器周期可以任意 選擇 指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 2 2 工作電壓 5 5V 3 3V 5V 單片機(jī) 3 8V 2 0V 3V 單片機(jī) 3 工作頻率范圍 0 40MHz 相當(dāng)于普通 8051 的 0 80MHz 實(shí)際工作 頻率可達(dá) 48MHz 4 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) Xi an Jiaotong University 17 5 片上集成 512 字節(jié) RAM 6 通用 I O 口 32 個(gè) 復(fù)位后為 P0 P1 P2 P3 是準(zhǔn)雙向口 弱上拉 P0 口是漏極開路輸出 作為總線擴(kuò) 展用時(shí) 不用加上拉電阻 作為 I O 口用時(shí) 需加上拉電 阻 7 ISP 在系統(tǒng)可編程 IAP 在應(yīng)用可編程 無 需專用編程器 無 需專用仿真器 可通過串口 RxD P3 0 TxD P3 1 直接下載用戶程 序 數(shù)秒即可完 成一片 8 具有 EEPROM 功能 9 共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 即定時(shí)器 T0 T1 T2 10 外部中斷 4 路 下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路 Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 11 通用異步串行口 UART 還可用定時(shí)器軟件實(shí) 現(xiàn)多個(gè) UART 12 工作溫度范圍 40 85 工業(yè)級(jí) 0 75 商業(yè)級(jí) 13 PDIP 封裝 Xi an Jiaotong University 18 三 傳感器部分設(shè)計(jì) TCRT5000 光電傳感器模塊是基于 TCRT5000 紅外光電傳 感器設(shè)計(jì)的一款紅外反射式光電開關(guān) 傳感器采用高發(fā)射 功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成 輸出信 號(hào)經(jīng)施密特電路整形 穩(wěn)定可靠 應(yīng)用場(chǎng)合 1 電度表脈沖數(shù)據(jù)采樣 2 傳真機(jī)碎紙機(jī)紙張檢測(cè) 3 障礙檢測(cè) 4 黑白線檢測(cè) 基本參數(shù) 1 外形尺寸 長(zhǎng) 32mm 37 mm 寬 7 5mm 厚 2mm 2 工作電壓 DC 3V 5 5V 推薦工作電壓為 5V 3 檢測(cè)距離 1mm 8mm 適用 焦點(diǎn)距離為 2 5mm 模塊原理和應(yīng)用 傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線 當(dāng)發(fā)射出 的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí) Xi an Jiaotong University 19 光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài) 此時(shí)模塊的輸出端為低電 平 指示二極管一直處于熄滅狀態(tài) 被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢 測(cè)范圍內(nèi)時(shí) 紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大 光敏三極 管飽和 此時(shí)模塊的輸出端為高電平 指示二極管被點(diǎn)亮 我們采用的光電傳感器為 TCRT5000 它的是采用高發(fā) 射功率紅外光電二極管和高度靈敏光電晶體管組成 其檢 測(cè)距離在 6mm 14mm TCRT50000 傳感器原理圖 Xi an Jiaotong University 20 TRRT5000 電路連接圖 四 機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 4 1 車體的設(shè)計(jì) 車體框架是裝配 AGV 其他零部件的主要支撐裝置 是 運(yùn)動(dòng)中的主要部件之一 主要分為主框架和副框架兩個(gè)部 分 主框架為立體型框架結(jié)構(gòu) 用于安裝各種控制和通訊 設(shè)備 副框架則安裝輪子 各種傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī) 主框 架和副框架用可拆卸聯(lián)接 便于安裝和拆卸 總的來說 AGV 車架相當(dāng)于汽車底盤 是 AGV 機(jī)械部分的關(guān)鍵 車架設(shè)計(jì) 及工藝的合理性直接影響 AGV 的定位精度 應(yīng)滿足的主要 條件如下 Xi an Jiaotong University 21 車體的強(qiáng)度和剛度必須滿足小車承載及運(yùn)行加速時(shí) 的要求 在保證車體有足夠剛度的條件下 盡量減輕車體的 重量 以提高有效承載重量 盡量降低車體重心 提高整車的抗傾翻能力 車體的外廓不應(yīng)有突出部分 以防止碰撞其他物 體 根據(jù)以上所述要求 并能更好地滿足實(shí)際任務(wù)的需要 AGV 整體尺寸設(shè)計(jì)為 1 0 4 0 4 m 長(zhǎng) 寬 高 除 AGV 車體 以外的其他輔助系統(tǒng)的安裝直接影響著小車的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向 AGV 車體重心越低 越有利于抗傾翻 4 2 車輪及轉(zhuǎn)向裝置選擇 小車采用差速轉(zhuǎn)向控制 因此每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有獨(dú)立的 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 為了使系統(tǒng)運(yùn)行可靠并且維護(hù)方便 本系統(tǒng)采 用兩個(gè)減速直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4 3 電機(jī)的選擇 假設(shè)設(shè)計(jì)的 AGV 原理樣車總載重為 250kg 最高時(shí)速設(shè) 定為 1m s 正常運(yùn)行時(shí)速設(shè)定為 0 8m s 4 3 1 AGV 行駛阻力的計(jì)算 AGV 在水平道路上等速行駛時(shí)必須克服來自地而的滾動(dòng) 阻力和來自空氣的空氣阻力 滾動(dòng)阻力以符號(hào)表示 空氣 阻力以符號(hào)表示 當(dāng) AGV 在坡道上行駛時(shí) 還必須克服重 力沿坡道的分力 稱為坡度阻力 以符號(hào)表示 AGV 加速行 駛需要克服的阻力稱為加速阻力 以符號(hào)表示 因此車輛 行駛的總阻力為 4 1 1 AGV 的滾動(dòng)阻力的計(jì)算 4 2 Xi an Jiaotong University 22 式中 滾動(dòng)阻力系數(shù) 即車輪在一定條件下滾動(dòng) 時(shí)所需的推力與車輪負(fù)荷之比 即單位車輛重力所需的推 力 滾動(dòng)阻力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定 它與路面的種類 行駛車 速以及車輪的構(gòu)造 材料等有關(guān) 考慮到 AGV 在工廠運(yùn)行 路而一般為瀝青或混凝土路 面 參考有關(guān)數(shù)據(jù)可知 0 018 0 020 實(shí)際取 0 0196 設(shè)計(jì)其總質(zhì)量為 m 250kg 代入公式 4 2 得滾 動(dòng)阻力為 2 加速阻力的計(jì)算 AGV 在加速行駛的過程中 需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí) 的慣性力 即加速阻力 Fj 設(shè) AGV 從原地起步經(jīng)過的位移 S lm 時(shí) 其車速達(dá)到 1 Om s 則 AGV 的加速度為 故加速阻力為 3 坡度阻力的計(jì)算 AGV 工作場(chǎng)合的道路狀況一般較好 坡度較小 坡度阻 力忽略不計(jì) AGV 小車不同于道路行駛的高速車輛 AGV 的最高時(shí)速 一般為 1m s 因此空氣阻力對(duì) AGV 行駛的影響可忽略不計(jì) 因此根據(jù) 4 1 式 AGV 總的運(yùn)動(dòng)阻力為 由于最高速度為 1m s 故需要電機(jī)的功率為 P F V 173W 故電機(jī)參數(shù)為 P 173w 車輪半徑 R 0 125m 額定轉(zhuǎn) 速 n 62rpm 峰值轉(zhuǎn)速 77rpm 峰值轉(zhuǎn)矩 21N m 故選用 57BLF 1830NBB RV3030 型電機(jī) 搭配渦輪減速器 參數(shù)及 Xi an Jiaotong University 23 外形尺寸如下 電機(jī)選型表 電機(jī)外形尺寸圖 驅(qū)動(dòng)輪 前輪 選用孔徑 25mm 外徑 125mm 的 AGV 小 車專用輪 Xi an Jiaotong University 24 AGV 專用輪尺寸圖 AGV 專用輪外形圖 后輪選用兩個(gè)直徑 125mm 的萬向輪 Xi an Jiaotong University 25 萬向輪外形圖 4 4 驅(qū)動(dòng)部分校核計(jì)算 1 運(yùn)動(dòng)速度的校核 確保車輛有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)也要有較高的工作速度 如前所述車輪半徑 R 0 125m 電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 62r min 則 雖然 0 81m s 大于預(yù)期設(shè)定的速度值 但我們可以控制 小車低速行駛 故可以選用該電機(jī) 2 驅(qū)動(dòng)能力的校核 車輪半徑 R 0 125m 功率為 P 310W 則車輪的驅(qū)動(dòng)力矩為 310 1 310N 由于 310 301 所以能保證車輛的正常起動(dòng) 并有一定的驅(qū) 動(dòng)力儲(chǔ)備 3 啟動(dòng)時(shí)加速度的校核 啟動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)阻力為 Fn 48N 電機(jī)到車輪所發(fā)出的 驅(qū)動(dòng)力為 310N Xi an Jiaotong University 26 則加速度為 高于最初預(yù)計(jì)的加速度 這說明設(shè)計(jì)完全能夠達(dá)到預(yù)期的 加速能力 經(jīng)過上述計(jì)算 確定 57BLF 1830NBB RV3030 型電機(jī)符 合要求 4 5 蓄電池的選擇 目前 AGV 大多使用鎳鎘蓄電池 鎳氫蓄電池 鋰電池 和鉛酸蓄電池 下面就對(duì)以上幾種類型的電池進(jìn)行簡(jiǎn)單比 較 1 鎳鎘蓄電池 內(nèi)阻小 可供大電流放電 放電時(shí)電壓變化小與其他 種類電池相比之下 鎳鎘電池可耐過充電或放過電 操作 簡(jiǎn)單方便放電電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異 大體上 是 1 2V 左右鎳鎘電池的放電終止電壓為 1 OV cell 實(shí) 際使用溫度范圍在 20 60 在此范圍內(nèi)可進(jìn)行放電 可重復(fù) 500 次以上的充放電 2 鎳氫蓄電池 鎳氫電池能量比鎳鎘電池大二倍 用專門的充電器充電 可在一小時(shí)內(nèi)快速充電 自放電特性比鎳鎘電池好 充電后 可保留更長(zhǎng)時(shí)間 可重復(fù) 500 次以上的充放 3 鋰電池 擁有高能量密度 與高容量鎳鎘電池相比 體積能量 是其 1 5 倍 能量密度是其 2 倍 高電壓 平均使用電壓 為 3 6V 是鎳鎘電池 鎳氫電池的 3 倍 使用電壓平坦并 且高容量 廣泛的使用溫度 200C 600C 充放電壽命長(zhǎng) 經(jīng)過 500 次放電后其容量至少還有 70 以上由于鋰電池具備 了能量密度高電壓高 工作穩(wěn)定等特點(diǎn) 4 鉛酸蓄電池 鉛酸電池是一種使用最廣泛的電池 它以海綿狀的鉛作 為負(fù)極 二氧化鉛作為正極 我們把這二種物質(zhì)稱為活性 Xi an Jiaotong University 27 物質(zhì) 用硫酸水溶液作為電解液 它們共同參與電池的電 化學(xué)反應(yīng) 鉛酸蓄電池具有良好的可逆性 電壓特性平穩(wěn) 使用壽命長(zhǎng) 適用范圍廣 原材料豐富 且可再生使用 及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn) 主要應(yīng)用在交通運(yùn)輸 礦山 港口 國(guó)防 計(jì)算機(jī) 科研等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域 是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng) 營(yíng)活動(dòng)和人類生活中不可缺少的產(chǎn)品 經(jīng)過以上對(duì)蓄電池優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比 我們選擇用 1 塊 20Ah 的鋰電池構(gòu)成電源 其輸出電壓為 24V 蓄電池布置 在承載車身內(nèi) 總重量為 3 6kg 所選鋰電池參數(shù) 4 6 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模 Xi an Jiaotong University 28 AGV 小車三維模型圖 控制模塊 直徑 125mm 的萬向輪 2 載物臺(tái) 工字鋼主體框架 循跡光電傳感器為 TCRT5000 4 避障傳感器 2 57BLF 1830NBB RV3030 型電機(jī)及渦輪減速器 2 外徑 125mm 的 AGV 專用輪 2 20Ah 的鋰電池 Xi an Jiaotong University 29 AGV 小車三維模型仰視圖 AGV 小車三維模型側(cè)視圖 Xi an Jiaotong University 30 AGV 小車主體部分三維圖 AGV 小車二維工程圖 Xi an Jiaotong University 31 五 控制部分設(shè)計(jì) 5 1 電源模塊 電源模塊是根據(jù)需要將電池供給的電壓轉(zhuǎn)換成我們實(shí) 際需要的電壓為電路供電 我們小組設(shè)計(jì)的電源模塊可以 將鋰電池提供的 24V 電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換 同時(shí)輸出 24V 和 5V 電 壓 分別向驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)進(jìn)行供電 電源電路模擬仿真圖 5 2 驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)模塊主要為驅(qū)動(dòng)電路 位于主電路和控制電路之 間 用來對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大的中間電路 即放大 控制電路的信號(hào)使其能夠驅(qū)動(dòng)功率晶體管 驅(qū)動(dòng)電路的 基本任務(wù) 就是將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目 標(biāo)的要求 轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間 可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào) 我們的驅(qū)動(dòng)電路主要是驅(qū)動(dòng) 直流減速電機(jī)進(jìn)行工作 Xi an Jiaotong University 32 電源電路模擬仿真圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的芯片選用的是 L298N 產(chǎn)品 其內(nèi)部含 有 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路 是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū) 動(dòng)器 即內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器 接 收標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯電平信號(hào) 可驅(qū)動(dòng) 46V 2A 以下的電機(jī) OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 之間分別接小車的兩個(gè)驅(qū)動(dòng) 電機(jī) IN1 IN2 IN3 IN4 引腳從單片機(jī)接輸入控制電平 控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) ENA ENB 的輸入信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 單片機(jī)的輸入情況不同所對(duì)應(yīng)的小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同 其情況如下 左電機(jī) 右電機(jī) IN1 IN2 IN3 IN4 左電機(jī) 右電機(jī) 小車運(yùn)動(dòng)狀 態(tài) 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 0 正轉(zhuǎn) 停 左轉(zhuǎn) 0 0 1 0 停 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 0 0 0 0 停 停 停止 Xi an Jiaotong University 33 以下為 AGV 小車的行走策略 直線行走策略 走直線的時(shí)候 位于地面的磁條導(dǎo)航線應(yīng)該全部位于 磁導(dǎo)航傳感器的正下方 如果出現(xiàn)某一部分磁條不在傳感 器正下方 則傳感器會(huì)根據(jù)磁場(chǎng)的方向發(fā)出控制信號(hào)來控 制左邊或者右邊的電機(jī)加速來使 AGV 小車向右或者向左轉(zhuǎn) 從而使詞條導(dǎo)航線重新回到傳感器的下方 岔路口行走策略 在分叉的地方設(shè)置地標(biāo) 當(dāng)行駛到岔路口處 地標(biāo)傳 感器就能識(shí)別地標(biāo)并發(fā)出轉(zhuǎn)彎的指令 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí) 現(xiàn)向某一個(gè)方向轉(zhuǎn)彎 控制策略 小車從起點(diǎn)或終點(diǎn)出發(fā)后 每隔 50ms 讀取一次 P1 口 若前方有障礙物 即 P1 4 腳或 P1 5 腳檢測(cè)到反射信 號(hào) 則機(jī)器人原地待命 若到達(dá)終點(diǎn)或起點(diǎn) 則機(jī)器人 開始裝料或卸料工作 否則 機(jī)器人進(jìn)行正常的尋線行 駛 對(duì)于電機(jī)的調(diào)速 我們采用 PWM 調(diào)速的方法 其原理 就是控制開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間 導(dǎo)通時(shí)間的不 同即占空比的不同 就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)兩端的平均電壓不同 電機(jī)的轉(zhuǎn)速是與電機(jī)兩端的電壓成正比的 因此電機(jī)的轉(zhuǎn) 速就與占空比成正比 占空比越大 電機(jī)轉(zhuǎn)的越快 小車 的速度就不同 PWM 實(shí)現(xiàn)調(diào)速簡(jiǎn)單 而且范圍大 5 3 循跡模塊 我們是通過紅外探測(cè)法來實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡功能的 紅外探測(cè)法 即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不 同的反射性質(zhì)的特點(diǎn) 在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā) 射紅外光 當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射 反射光 被裝在小車上的接收管接收 經(jīng)過循跡電路的轉(zhuǎn)換 OUT 輸 出端為低電平也就是 0 如果遇到黑線則紅外光被吸收 則 小車上的接收管接收不到信號(hào) OUT 就輸出端為高電平也就 Xi an Jiaotong University 34 是 1 從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè) 循跡模塊電路模擬仿真圖 我們采用的光電傳感器為 TCRT5000 它的是采用高發(fā) 射功率紅外光電二極管和高度靈敏光電晶體管組成 其檢 測(cè)距離在 6mm 14mm 5 4 避障模塊 實(shí)際的環(huán)境中 雖然 AGV 小車的軌跡已經(jīng)完全限定 但不可避免的會(huì)在小車路線上出現(xiàn)障礙物 這就要求我們 的小車必須有避障功能 避障模塊的選擇如下圖 該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng) 其具有一對(duì)紅 外線發(fā)射與接收管 發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線 當(dāng) 檢測(cè)方向遇到障礙物 反射面 時(shí) 紅外線反射回來被接 收管接收 經(jīng)過比較器電路處理之后 信號(hào)輸出接口輸出 數(shù)字信號(hào) 一個(gè)低電平信號(hào) 有效距離范圍 2 80cm 工 作電壓為 3 3V 5V 該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào) 節(jié) 具有干擾小 便于裝配 使用方便等特點(diǎn) 可以廣泛 應(yīng)用于機(jī)器人避障 避障小車 流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡 等眾多場(chǎng)合 避障傳感器基本原理 和循跡傳感器工作原理基本相 同 利用物體的反射性質(zhì) 在小車的正前方安上避障用的傳感器 在一定范圍內(nèi) 如果沒有障礙物 發(fā)射出去的紅外線 因?yàn)閭鞑ゾ嚯x越遠(yuǎn) Xi an Jiaotong University 35 而逐漸減弱 最后消失 如果有障礙物 紅外線遇到障礙 物 被反射到達(dá)傳感器接收頭 傳感器檢測(cè)到這一信號(hào) 就可以確認(rèn)正前方有障礙物 并送給單片機(jī) 單片機(jī)進(jìn)行 一系列的處理分析 有障礙物和沒障礙物時(shí) 此電路的輸出只有兩種輸出 狀態(tài) 當(dāng)沒有障礙物時(shí) 直接前行 當(dāng)有障礙物時(shí) 因?yàn)?超市里邊一般障礙物都是人 人都是在活動(dòng)的 而且小車 也不可能離開軌跡 所以小車只需停止在原地等待 再次 進(jìn)行避障檢測(cè) 進(jìn)行判斷執(zhí)行 一般幾秒鐘人就會(huì)離開 小車就會(huì)繼續(xù)前行 原理流程圖如下 避障原理圖 5 5 主控制模塊 控制模塊是小車的大腦 主要是通過 STC89C52RC 單片 機(jī)作為控制中樞 對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析 控制協(xié)調(diào)檢測(cè)避 礙 檢測(cè)循跡 檢測(cè)制動(dòng)等功能 同時(shí)控制電機(jī)速度和起 停 其原理圖如下 Xi an Jiaotong University 36 主控模塊原理圖 電路圖如下 主控制模塊電路模擬仿真圖 Xi an Jiaotong University 37 Xi an Jiaotong University 38 六 項(xiàng)目總結(jié)與感悟 都說機(jī)械這個(gè)專業(yè)是個(gè)萬金油的專業(yè) 什么好像都會(huì) 什么好像都不精 確實(shí) 自從學(xué)了專業(yè)課以后我就有這個(gè) 感受 感覺我們正在做的事情都是別的專業(yè)深入研究的內(nèi) 容 比如編程序 開發(fā)軟件 設(shè)計(jì)電路 分析受力 一度我非常擔(dān)心我們專業(yè)會(huì)在以后毫無競(jìng)爭(zhēng)力 因?yàn)槟憔?程序肯定比不過學(xué)軟件的 設(shè)計(jì)電路肯定比不過學(xué)電子的 分析受力肯定比不過學(xué)力學(xué)的 但是 這學(xué)期學(xué)了這門機(jī) 電一體化的課 加上做了這個(gè) AGV 小車的設(shè)計(jì)方案以后 我漸漸發(fā)現(xiàn)其實(shí)機(jī)械專業(yè)是有它的獨(dú)一無二的地方的 就 像老師講的那樣 我們不需要自己完完全全的研究透徹單 片機(jī)到底是個(gè)什么原理 因?yàn)槟鞘菍W(xué)電的學(xué)生要研究的 我們注重實(shí)際的工程問題 只要能夠在工程實(shí)際中運(yùn)用單 片機(jī)來為我們服務(wù)就行了 學(xué)機(jī)械這個(gè)專業(yè)就是要將一切能夠利用的資源利用起 來 然后用自己的專業(yè)知識(shí)來解決實(shí)際的工程問題 我在 做 AGV 小車的設(shè)計(jì)的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)這個(gè)東西不是學(xué)電的學(xué)生 不是學(xué)軟件的學(xué)生能夠做得出來的 我們就像一個(gè)指揮者 將所有的軍隊(duì)排兵布陣 然后讓每個(gè)士兵都能夠發(fā)揮出它 的作用 這樣才能夠獲得勝利 所以這個(gè)課程設(shè)計(jì)讓我明 白了機(jī)械專業(yè)絕對(duì)不是萬金油的專業(yè) 也絕對(duì)不是任何專 業(yè)能夠代替的 我們將來就是其他所有人的 指揮官 作為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的項(xiàng)目 我們?cè)谶^程中分別經(jīng)歷 了市場(chǎng)調(diào)研 目標(biāo)規(guī)劃 整體設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路 控制設(shè)計(jì) 再加上最后的文檔編輯 但是由于我們?nèi)狈Ω?個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn) 所以我們針對(duì)的目標(biāo)比較現(xiàn)實(shí) 希望用最 基本的器件 實(shí)現(xiàn)一個(gè) AGV 自動(dòng)引導(dǎo)小車的基本功能 過 程中 我們學(xué)習(xí)了老師推薦的個(gè)人軟件 比如 PROE 做三 維結(jié)構(gòu)建模 ANSYS 做結(jié)構(gòu)受力分析 PROTUES 做電路設(shè)計(jì) C 做控制程序編寫等 對(duì)我們的專業(yè)能力有很大的提升 同時(shí) 也為畢設(shè)打下一定的基礎(chǔ) 總體說來 本門課程給我們最大的收獲還是一個(gè)產(chǎn)品 Xi an Jiaotong University 39 設(shè)計(jì)的流程 我們從做的過程中明白了調(diào)研 目標(biāo) 分工 整合 總結(jié)的重要性 同時(shí) 我們明白了創(chuàng)新的基礎(chǔ)是專 業(yè)技能的熟悉 像我們現(xiàn)在還處于初學(xué)的水平 想要?jiǎng)?chuàng)新 的話難度非常大 就算有想法 也不容易實(shí)現(xiàn) 還有一個(gè) 強(qiáng)烈的感受就是機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要遵守很多的標(biāo)準(zhǔn) 不能 瞎創(chuàng)新 應(yīng)該在同一的標(biāo)準(zhǔn)和基本的體系下去創(chuàng)新 而且 很多時(shí)候選用標(biāo)準(zhǔn)件能夠很大程度上減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作 量 增加產(chǎn)品的實(shí)用性 最后就是對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的感想 一個(gè)整體的項(xiàng)目 有些 事可以分工合作 而有些事必須大家都有所參與 利于產(chǎn) 品調(diào)研和目標(biāo)制定 如果組員都不了解這項(xiàng)產(chǎn)品 他肯定 做不好自己的一些工作或者不能與組員同步 同時(shí) 一個(gè) 項(xiàng)目的完善性必須靠所有人員的努力 每個(gè)人都會(huì)疏忽一 些事 協(xié)作才能完善一個(gè)項(xiàng)目 Xi an Jiaotong University 40 七 參考文獻(xiàn) 1 趙衛(wèi)軍 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 北京 科學(xué)出版社 2010 年 11 月 2 張辰貝西 自動(dòng)導(dǎo)航車 AGV 發(fā)展綜述 南京 南京航 空航天大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2010 年 3 常健 吳成東 李斌 移動(dòng)機(jī)器人避障方法綜述 儀器 儀表學(xué)報(bào)第 31 卷第八期增刊 2010 年 8 月 4 STC89C52RC 單片機(jī)用戶手冊(cè) 百度文庫(kù) 5 寧慧慧 智能小車運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方法研究 山西 中北大學(xué)碩士學(xué)位論文 2010 年 6 張自紅 付偉 羅瑞 C51 單片機(jī)基礎(chǔ)及編程應(yīng)用 北 京 中國(guó)電力出版社 2012 年 10 月第一版 7 曹衛(wèi)芳 基于 MCS51 系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究 山東 山東科技大學(xué)碩士論文 2005 年 5 月 8 劉建清 輕松玩轉(zhuǎn) 51 單片機(jī) 北京 北京航天航空大 學(xué) 2011 年 3 月第一版 9 劉建清 輕松玩轉(zhuǎn) 51 單片機(jī) C 語(yǔ)言 北京 北京航天 航空大學(xué) 2011 年 3 月第一版 10 賀哲榮 黃金波 AT89S51 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)與編程實(shí)例 北京 中國(guó)電力出版社 2012 年 7 月第一版 11 protues 使用教程 百度文庫(kù) Xi an Jiaotong University 41 八 附錄 8 1 車體結(jié)構(gòu) ANSYS 仿真報(bào)告 Project First Saved Tuesday June 10 2014 Last Saved Tuesday June 10 2014 Product Version 14 5 7 Release Save Project Before Solution No Save Project After Solution No Xi an Jiaotong University 42 Contents Units Model C4 o Geometry Parts o Coordinate Systems o Connections Contacts Contact Regions o Mesh o Static Structural C5 Analysis Settings Loads Solution C6 Solution Information Results Material Data o Structural Steel Units TABLE 1 Unit System Metric m kg N s V A Degrees rad s Celsius Angle Degrees Rotational Velocity rad s Temperature Celsius Model C4 Geometry TABLE 2 Model C4 Geometry Object Name Geometry State Fully Defined Definition Xi an Jiaotong University 43 Source C Users Administrator Desktop AGV 模型2 222 sldasm Type SolidWorks Length Unit Meters Element Control Program Controlled Display Style Body Color Bounding Box Length X 0 562 m Length Y 0 22284 m Length Z 1 003 m Properties Volume 1 2244e 002 m Mass 96 114 kg Scale Factor Value 1 Statistics Bodies 45 Active Bodies 45 Nodes 150761 Elements 77590 Mesh Metric None Basic Geometry Options Solid Bodies Yes Surface Bodies Yes Line Bodies No Parameters Yes Parameter Key DS Attributes No Named Selections No Material Properties No Advanced Geometry Options Use Associativity Yes Coordinate Systems No Reader Mode Saves Updated File No Use Instances Yes Smart CAD Update No Attach File Via Temp File Yes Temporary Directory C Users Administrator AppData Local Temp Analysis Type 3 D Mixed Import Resolution None Decompose Disjoint Geometry Yes Xi an Jiaotong University 44 Enclosure and Symmetry Processing Yes TABLE 3 Model C4 Geometry Parts Object Name qudonglunzhou 1 dianji 2 caogang 2 caogang1 1 caogang 1 State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparency 1 Definition Suppressed No Stiffness Behavior Flexible Coordinate System Default Coordinate System Reference Temperature By Environment Material Assignment Structural Steel Nonlinear Effects Yes Thermal Strain Effects Yes Bounding Box Length X 0 146 m 6 968e 002 m 5 2079e 002 m 0 3 m 5 2079e 002 m Length Y 1 5e 002 m 0 1015 m 3 7858e 002 m 3 2e 002 m 3 7858e 002 m Length Z 1 6903e 002 m 0 18 m 1 m 5 e 002 m 1 m Properties Volume 2 6761e 005 m 7 4737e 004 m 6 2231e 004 m 1 4968e 004 m 6 2231e 004 m Mass 0 21007 kg 5 8669 kg 4 8851 kg 1 175 kg 4 8851 kg Centroid X 0 46424 m 9 6014e 002 m 0 43538 m 0 26036 m 8 538e 002 m Centroid Y 9 6983e 002 m 5 8904e 002 m 4 5492e 002 m 5 0406e 002 m 4 5492e 002 m Centroid Z 0 13969 m 0 18711 m 0 51434 m 0 99061 m 0 51434 m Moment of Inertia Ip1 3 7307e 004 kg m 1 8451e 002 kg m 0 41859 kg m 8 9401e 003 kg m 0 41859 kg m Xi an Jiaotong University 45 Moment of Inertia Ip2 3 7256e 004 kg m 1 6671e 002 kg m 0 41944 kg m 9 273e 003 kg m 0 41944 kg m Moment of Inertia Ip3 6 1044e 006 kg m 5 2496e 003 kg m 2 4832e 003 kg m 5 3527e 004 kg m 2 4832e 003 kg m Statistics Nodes 820 52223 3222 1606 3222 Elements 402 30512 1721 264 1721 Mesh Metric None TABLE 4 Model C4 Geometry Parts Object Name chelunjia 4 chelunjia 3 dianji 1 chelunjia 2 chelunjia 1 State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparency 1 Definition Suppressed No Stiffness Behavior Flexible Coordinate System Default Coordinate System Reference Temperature By Environment Material Assignment